JP3542344B2 - 蓄電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置に係り、特に電力貯蔵システム等の複数の二次電池により構成した組電池の充電または放電を行なうための蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の蓄電システムとしては、複数の二次電池により構成した組電池と、この組電池の充電または放電を行なう電力変換装置と、を備えるものがある（従来技術１）。この従来技術１は、組電池に対して充電または放電するための電力変換器を１個設けている。この電力変換器は、交流から直流及び直流から交流に変換する機能と、電圧を降圧または昇圧する機能と、を１つの電力変換器に備えるようになっている。
【０００３】
また、従来の電力貯蔵システムとして、特開２００１−２５１７０号公報（従来技術２）に示すように、電力変換器の直流側に充電電力が放電電力に比べて小さい二次電池を接続した電力貯蔵システムで、複数の電力変換器を並列に設け、全電力変換器の総容量と一つの電力変換器の容量との割合を二次電池の放電電力と充電電力との割合に等しくするようにしたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に組電池は複数の二次電池が種々の形態で組み合わされて蓄電システムに用いられるため、蓄電システム用電力変換装置は充放電電流が種々の大きさで動作できるものを準備することが必要である。
【０００５】
しかしながら、上記従来技術１では、組電池に対して充電または放電する電力変換器を１個設けているに過ぎないため、使用される組電池における種々の大きさの充放電電流に対応できる定格仕様の電力変換器を種々準備しておかねばならない。このため、電力変換器の種類が増加し、部品管理が煩雑になると共に部品コストが増大するという課題があった。
【０００６】
また、従来技術２では、複数の電力変換器を並列に設けているが、使用される組電池における種々の大きさの充放電電流に対応することに関しては記載されていない。即ち、従来技術２を組電池に用いた場合には、従来技術１と同様に、使用される組電池における種々の大きさの充放電電流に対応できるように異なる定格仕様の電力変換器を種々準備しておかねばならない。このため、従来技術２では、電力変換器の種類が従来技術１よりも複数倍増加し、さらに部品管理が煩雑になると共に部品コストが増大するという課題があった。
【０００７】
そして、従来技術１、２では、充放電電流の変化に対応して電力変換器の動作を制御することについては配慮されておらず、組電池の多段充電時の小さな電流や補充電時の特に小さな電流などに対応して電力変換器の動作を高精度に制御するのが難しいという課題があった。
【０００８】
本発明の第１の目的は、小さな定格電流の電力変換器を共用して組電池の異なる充放電電流に対応することが可能で、電力変換器の種類の増加を抑えることができる共にコスト低減が図れる蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の第２の目的は、充放電時の電流の小さい場合でも容易に充放電電流を高精度で制御できる蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するために、本発明の蓄電システムは、複数の二次電池により構成した組電池と、前記組電池の充電または放電を行なう電力変換装置と、を備えた蓄電システムにおいて、前記電力変換装置は前記組電池に対して１つのインバータ及び複数の電力変換器を備え、前記複数の電力変換器は、充電または放電時に電圧を降圧または昇圧する機能を有すると共に、同等の定格仕様のものを用いて前記インバータと前記組電池との間に並列に接続し、前記各電力変換器は、二つのスイッチング素子と、各スイッチング素子のコレクタ、エミッタ間に逆向きに接続したダイオードと、前記二つのスイッチング素子の間と前記組電池との間に接続したリアクトルと、を備え、前記各電力変換器のスイッチング素子に加えるパルス信号の周波数、パルス幅を同じにすると共にパルス位相を２π／３だけずらして充電動作または放電動作を行うように制御する制御装置を備える構成にしたことにある。
【００１１】
前記第２の目的を達成するために、本発明の蓄電システムは、複数の二次電池により構成した組電池と、前記組電池の充電または放電を行なう電力変換装置と、を備えた蓄電システムにおいて、前記電力変換装置は、充電または放電時に電圧を降圧または昇圧する複数の電力変換器と、前記複数の電力変換器に対応する複数電流検出器と、を備え、前記複数の電流検出器の中の少なくとも一つは異なる分解能を有する電流検出器を備える構成にしたことにある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複数の実施例について図を参照して説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【００１３】
本発明の第1実施例について図1から図５を参照して説明する。
【００１４】
図１は本発明の第1実施例である蓄電システムのブロック構成図である。図１において、１００Ｖまたは２００Ｖの商用電源１は負荷２を接続して交流電力を給電する。蓄電システム５０は商用電源１と負荷２の間に接続され、商用電源１により交流電力を供給されると共に、負荷２に交流電力を供給する。更には、蓄電システム５０は直流負荷１１に接続され、この直流負荷１１に直流電力を供給する。そして、蓄電システム５０は組電池８及び電力変換装置３を備えて構成されている。
【００１５】
組電池８は複数の二次電池により構成され、充電または放電される。蓄電システム５０の使用場所や使用目的に応じて、この二次電池の数が異なるように設けられる。図１は１組の組電池８を示しているが、必要に応じて複数の組電池８が並列または直列に接続される場合がある。
【００１６】
電力変換装置３は、双方向インバータ４、平滑コンデンサ５、電力変換器６ａ、６ｂ及び電流検出器７ａ、７ｂからなる充放電系統と、逆流防止ダイオード９及び直流給電開始手段１０からなる直流放電系統とを備えている。
【００１７】
双方向インバータ４の一側は商用電源１と負荷２との間に接続され、その他側は平滑コンデンサ５に接続されている。双方向インバータ４は一側から供給された交流電力を直流電力に変換して他側から出力すると共に、他側から供給された直流電力を交流電力に変換して出力する。平滑コンデンサ５と組電池８との間には複数の電力変換器６ａ、６ｂが並列に接続されている。この電力変換器６ａ、６ｂは電圧を降圧または昇圧して充放電するためのものである。各電力変換器６ａ、６ｂは同等の定格仕様のものが用いられている。電力変換器６ａ、６ｂにはそれぞれ電流検出器７ａ、７ｂが設けられている。従って、商用電源１及び負荷２は電力変換装置３を介して組電池８に接続されることとなる。
【００１８】
逆流防止ダイオード９と直流給電開始手段１０は直列に接続されている。この直列回路の逆流防止ダイオード９は電力変換器６ａ、６ｂの並列回路と組電池８との間に接続されると共に、直流給電開始手段１０は直流負荷１１に接続されている。従って、直流負荷１１は直流給電開始手段１０及び逆流防止ダイオード９を介して組電池８または電力変換器６ａ、６ｂに接続されることとなり、これらから直流電力が供給される。
【００１９】
図２及び図３は電流検出器７ａ、７ｂの構成図である。１２ａ、１２ｂは電力変換器６ａ、６ｂの入出力電流を流す充放電電流線である。この充放電電流線１２ａ、１２ｂは検出センサ部１３ａ、１３ｂにそれぞれ１ターン、４ターン巻かれて設けられている。１４ａ、１４ｂは検出センサ部１３ａ、１３ｂにそれぞれ巻かれた検出線である。該検出線１４ａ、１４ｂはそれぞれプリアンプ１５ａ、１５ｂに接続されている。なお、図２及び図３では、検出センサ部１３ａ、１３ｂをコアで表記しているが、検出センサ部１３ａ、１３ｂはホール素子等の手段を用いてもよい。また、本実施例では同等の定格の電力変換器を２並列としているが、蓄電システム５０の仕様により、適当な数の並列数にしても良い。
【００２０】
各電流検出器７ａ、７ｂは同仕様の部品が用いられ、検出センサ部１３ａ、１３ｂに充放電電流線１２ａ、１２ｂを通す回数を変えて検出仕様設定手段としている。即ち、本実施例では、検出センサ部１３ａ、１３ｂに充放電電流線１２ａ、１２ｂを通す回数を１ターンと４ターンに変えて、電流検出器７ａ、７ｂの分解能を１：４に変えている。換言すれば、各電流検出器７ａ、７ｂは検出仕様設定手段以外の構成が同じにしてある。なお、電流検出器７ａ、７ｂの分解能を変える方法として、プリアンプ１５ａ、１５ｂのゲインまたは電流検出器６ａ、６ｂの後段のアンプ（図示せず）のゲインを変えてもよい。また、分解能の違いは１：４に限るものではなく、蓄電システム５０の仕様により、適当な値に設定する。
【００２１】
図４は電流検出器６ａ、６ｂの充放電電流線１２ａ、１２ｂを流れる電流に対する検出値の出力特性図である。出力特性１６は電流検出器７ａの充電電流を変化させた場合の検出値であり、出力特性１７は電流検出器７ｂの充電電流を変化させた場合の検出値である。また、出力特性１８は電流検出器７ａの放電電流を変化させた場合の検出値であり、出力特性１９は電流検出器７ｂの放電電流を変化させた場合の検出値である。本実施例では充電時の検出値を正としたが、放電時の検出値を正としてもかまわない。上述したように電流検出器７ａ、７ｂの検出センサ部１３ａ、１３ｂに充放電電流線１２ａ、１２ｂを通す回数を１ターンと４ターンに変えていることにより、検出値が出力特性１６と出力特性１７または出力特性１８と出力特性１９のように、１：４の値となる。その結果、電流検出器７ａと７ｂの分解能が１：４となって、電流検出器７ｂの分解能は電流検出器７ａの分解能の４倍に大きくなっている。
【００２２】
なお、各電流検出器７ａ、７ｂに同じ仕様のセンサを使用しているため、電流値が高分解能に設定した電流検出器７ｂでは電流検出器７ａの検出限界（図示せず）の１／４のところで検出限界２０に達し、検出値出力の直線性が失われる。しかし、電流０の値から電流検出器７ｂの検出限界２０の値までの充放電電流値に対しては、電流検出器７ｂは電流検出器７ａの４倍の分解能で電流を検出することができる。従って、電流検出器７ｂは小さい充放電電流の検出に用い、電流検出器７ａは大きい充放電電流の電流検出を用いるように使い分けることが好ましい。
【００２３】
次に、このように構成した蓄電システム５０の充放電動作を説明する。
【００２４】
充電時においては、商用電源１から供給される交流を双方向インバータ４で直流に整流すると共に昇圧し、平滑コンデンサ５により平滑して直流電圧とし、係る直流電圧を電力変換器６ａ、６ｂで降圧し、電流を予め設定した充電電流値に制御しながら組電池８に充電する。このとき、各電力変換器６ａ、６ｂには同じ制御信号を与えることにより、同等の充電電流が流れ、それらを合計した電流が組電池８の充電電流になる。
【００２５】
この場合に、充電電流の管理・制御は電流検出器７ａで行なう。各電力変換器６ａ、６ｂが同等の定格仕様なので、各電力変換器６ａ、６ｂには同等の充電電流が流れる。従って、充電電流の合計は電流検出器７ａの値に電力変換器６の並列の個数を掛けて求められる。組電池８が充電完了に近づくと、これを検出して制御装置により充電を電力変換器６ｂのみで行なうように制御される。具体的には、小さい電流値での補充電が必要な鉛系の二次電池やニッケル・カドミウム二次電池等を用いた組電池の場合には微少電流で補充電を行ない、ＣＶ充電等による押し込み充電が必要なリチウムイオン二次電池等を用いた組電池の場合には充電電流を絞って押し込み充電を行なう。この場合において、高分解能の電流検出器７ｂで充電電流を検出するので、小さい電流を高精度で検出し、制御することができる。
【００２６】
放電は直流給電と交流給電の機能を有する。通常の直流給電における放電は組電池８より逆流防止ダイオード９及び直流給電開閉手段１０を介して直流負荷１１に直流を給電することにより行なわれる。この直流給電は直流給電開始手段１０を閉路することにより開始される。また、交流側の負荷２の消費電力が大きい場合には、組電池８より電力変換器６ａ、６ｂにより昇圧して平滑コンデンサ５に充電して直流電圧を生成し、係る直流電圧を双方向インバータ４で交流に変換し、商用電源１からの電力に重畳して負荷２に出力する。このようにして負荷２の電力の一部を蓄電システム５０から交流給電して分担することにより、商用電源１の過電流を抑えることができる。
【００２７】
この組電池８の電力を交流に変換して出力することにより放電する場合には、各電力変換器６ａ、６ｂは同じ制御信号により動作させる。各電力変換器６ａ、６ｂの定格仕様が同等であるので、このときの放電電流は同等になる。その電流の管理・制御は電流検出器７ａの検出値を用いて行ない、組電池８の放電電流の合計は電流検出器７ａの検出値に電力変換器６の並列接続数を掛けて求められる。
【００２８】
このように、電力変換器６ａ、６ｂに流れる充放電電流は、同じ制御信号で制御することにより同等にすることができるので、各電力変換器６ａ、６ｂの定格電流は組電池８の充放電電流を電力変換器６の並列数で割った値で十分である。従って、組電池８の充放電電流が大きい場合でも、小さい定格電流の電力変換器６ａ、６ｂを複数使用することにより対応できる。
【００２９】
図５は電流検出器７ａの変形例を示すものである。この電流検出器７ａは検出センサ部にシャント抵抗１３ｃを用いたものである。この電流検出器７ａの分解能の設定はシャント抵抗１３ｃの抵抗値を変えるかプリアンプ１５ａのゲインを変えることにより行なう。
【００３０】
次に、本発明の第２実施例について図６を参照しながら説明する。図６は本発明の第２実施例の蓄電システムのブロック構成図である。
【００３１】
組電池８の充放電の電力変換を行なう電力変換器６ａ〜６ｃは、それぞれ、スイッチング素子２１ａ〜２１ｆ、各スイッチング素子のコレクタ、エミッタ間に逆向きに接続したダイオード２２ａ〜２２ｆ、及びリアクトル２３ａ〜２３ｃにより構成されている。電力変換器６ａ〜６ｃの各部品は同一仕様のものが用いられている。
【００３２】
そして、スイッチング素子２１ａ、２１ｃ、２１ｅのコレクタとダイオード２２ａ、２２ｃ、２２ｅのカソードはそれぞれ平滑コンデンンサ５の正極側に接続されている。スイッチング素子２１ａのエミッタとダイオード２２ａのアノードはスイッチング素子２１ｂのコレクタとダイオード２２ｂのカソード及びリアクトル２３ａの一端に接続され、スイッチング素子２１ｃのエミッタとダイオード２２ｃのアノードはスイッチング素子２１ｄのコレクタとダイオード２２ｄのカソード及びリアクトル２３ｂの一端に接続され、スイッチング素子２１ｅのエミッタとダイオード２２ｅのアノードはスイッチング素子２１ｆのコレクタとダイオード２２ｆのカソード及びリアクトル２３ｃの一端に接続され、スイッチング素子２１ｂ、２１ｄ、２１ｆのエミッタ及びダイオード２２ｂ、２２ｄ、２２ｆのアノードはそれぞれ平滑コンデンサ５の負極側及び組電池８の負極側に接続されている。各リアクトル２３ａ〜２３ｃはそれぞれ電流検出器７ａ〜７ｃを介してフィルタコンデンサ２４の正極側に接続されている。
【００３３】
係る電力変換器６ａ〜６ｃのスイッチング素子２１ａ〜２１ｆ及びダイオード２２ａ〜２２ｆは、広く一般に用いられている電動機制御用インバータモジュールを転用して本発明に適用できるようにしている。これにより、電力変換器６ａ〜６ｃを安価なものとすることができる。
【００３４】
各電流検出器７ａ〜７ｃはそれぞれセンサ・インタフェース手段２５ａ〜２５ｃに接続されている。該センサ・インタフェース手段２５ａ〜２５ｃは充放電制御装置２８に接続されている。平滑コンデンサ５の両端は直流電圧検出器２６の両端に接続されている。該直流電圧検出器２６は充放電制御装置２８に接続されている。
【００３５】
また、フィルタコンデンサ２４の負極側は組電池８の負極側に接続され、フィルタコンデンサ２４の両端には電池側電圧検出器２７が接続されている。該電池側電圧検出器２７は充放電制御装置２８に接続されている。フィルタコンデンサ２４の正極側には電池スイッチ２９の一端が接続されている。該電池スイッチ２９の他端は組電池８の正極側に接続されている。
【００３６】
また、双方向インバータ４にはインバータ制御装置３０が接続されている。該インバータ制御装置３０は充放電制御装置２８と接続されている。なお、充放電制御装置２８とインバータ制御装置３０とを一つの制御装置に纏めてもよい。
【００３７】
電力変換器６ａ〜６ｃ、電流検出器７ａ〜７ｃ及びセンサ・インタフェース手段２５ａ〜２５ｃで構成される部分は同一仕様のもので構成されている。但し、センサ・インタフェース手段２５ａ〜２５ｃの内の少なくとも１個の検出感度を充放電制御装置２８からの指令で変更可能とされている。
【００３８】
充放電電流が予め設定した値よりも小さい場合に、センサ・インタフェース手段２５ａの検出感度が高感度になるように充放電制御装置２８からの指令で設定された状態における動作を次に説明する。
【００３９】
組電池８を充電する場合の動作は次の通りである。双方向インバータ４はインバータ制御装置３０の信号により、商用電源１から供給する交流を直流に整流すると共に、直流電圧検出器２６により電圧を監視しながら、組電池８の電圧よりも高い所定の直流電圧に昇圧して平滑コンデンサ５を充電する。
【００４０】
そして、充放電制御装置２８からのパルス信号で電力変換器６ａのスイッチング素子２１ａを断続させ、小さい充電電流を電力変換器６ａに流してフィルタコンデンサ２４を所定の電圧に充電する。この時の充電電流は電流検出器２５ａで検出すると共に、フィルタコンデンサ２４の電圧は電池側電圧検出器２７で検出され、これらは充放電制御装置２８で管理される。スイッチング素子２１ａがパルス信号でオンしている期間は、電流がリアクトル２３ａを通ってフィルタコンンデンサ２４に流れると共に、リアクトル２３ａに磁気エネルギーとして蓄えられる。スイッチング素子２１ａがオフすると、リアクトル２３ａに蓄えられたエネルギーは電流としてダイオード２２ｂとフィルタコンデンサ２４とで構成される経路によりフィルタコンデンサ２４を充電する電流として流れる。
【００４１】
そして、フィルタコンデンサ２４の電圧が組電池８の電圧に近い所定値に達すると、それを電池側電圧検出器２７で検出して充放電制御装置２８に入力し、充放電制御装置２８の信号で電池スイッチ２９をオンする。これにより、組電池８への充電が開始される。電池スイッチ２９がオンすると、充放電制御装置２８からのパルス信号により、各電力変換器６ａ〜６ｃのスイッチング素子２１ａ、２１ｃ、２１ｅが断続し、電流検出器２５ａ〜２５ｃで充電電流を監視すると共に、組電池８の電圧を電池側電圧検出器２７で監視しながら、組電池８を充電する。
【００４２】
この時の充電電流は平滑コンデンサ５の電圧と組電池８の電圧の差が大きいほど大きくなると共に、スイッチング素子２１ａ、２１ｃ、２１ｅの加えるパルス信号のデューティーが大きいほど大きくなる。平滑コンデンサ５の電圧と組電池８の電圧の差を監視しながら、パルスのデューティーを制御することにより、充電電流を所定の値に制御することができる。この時の電流の制御は電流検出器２５ｂ、２５ｃの信号により行ない、電流検出器２５ａの信号は制御には用いない。この時の各部の動作はフィルタコンデンサ２４に充電する時と同様である。
【００４３】
充放電制御装置２８は、各スイッチング素子２１ａ、２１ｃ、２１ｅへのパルス周波数、パルス幅を同じにすると共に、各パルスの位相を２π／ｎだけずらすように制御している。この第２実施例では２π／３だけ位相をずらしている。パルスの位相を２π／ｎだけずらすことにより、各電力変換器６ａ〜６ｃからフィルタコンデンサ２４及び組電池８に流れ込むスイッチング電流の位相がずれて重畳される。これによって、組電池８に流れ込むリップル電流を小さくできると共に、見かけのスイッチング周波数がｎ倍にできる。この見かけ上のスイッチング周波数がｎ倍にできることにより、可聴域の騒音を低減できると共に、実際のスイッチング周波数をその分下げるようにすればスイッチングロスを低減できる。
【００４４】
また、組電池８の補充電を行なう場合には、補充電時の電流は通常の充電電流より小さいので、電力変換器６ａのみで行ない、その電流の制御は電流検出器２５ａの信号で行なう。
【００４５】
一方、組電池８から放電する場合の動作は次の通りである。各電力変換器６ａ〜６ｃのスイッチング素子２１ｂ、２１ｄ、２１ｆを充放電制御装置２８からのパルス信号で断続させることにより行なう。各電力変換器６ａ〜６ｃの動作は全く同じなので、代表で電力変換器６ａの動作を説明する。スイッチング素子２１ａがオンすると、組電池８の放電電流がリアクトル２３ａを介してスイッチング素子２１ａに流れ、リアクトル２３ａに磁気エネルギーが蓄えられる。スイッチング素子２１ａをオフすると、リアクトル２３ａの電流が遮断されるため、リアクトル２に蓄えられた磁気エネルギーによりスイッチング素子２１ａのコレクタ側が昇圧され、係る部分の電圧が平滑コンデンサ５の電圧を越えるとダイオード２２ａを介してリアクトル２３ａより平滑コンデンサ５に電流が流れ出す。平滑コンデンサ５の電荷は双方向インバータ４により商用電源１に連系して出力される。電力変換器６ｂ、６ｃは電力変換器６ａと同様に昇圧動作をし、放電が行なわれる。
【００４６】
電力変換器６ａ〜６ｃのスイッチング素子２１ｂ、２１ｄ、２１ｆに加えられるパルス信号は充電時と同様に周波数、パルス幅を同じにすると共に、各パルスの位相を２π／ｎだけずらしている。この第２実施例では２π／３だけ位相をずらしている。この目的は、充電時と同様に、パルスの位相を２π／ｎだけずらすことにより、各電力変換器６ａ〜６ｃから平滑コンデンサ５に流れ出すスイッチング電流の位相がずれて重畳される。これによって、組電池８から流れ出すリップル電流を小さくできると共に、見かけのスイッチング周波数がｎ倍にできる。この見かけ上のスイッチング周波数がｎ倍にできることにより、可聴域の騒音を低減できると共に、スイッチング周波数をその分下げるようにすればスイッチングロスを低減できる。
【００４７】
また、この第２実施例で第１実施例と同じ定格の部品を用いて電力変換器６ａ〜６ｃを構成した場合には、第２実施例の電力変換器６ａ〜６ｃは第１実施例の電力変換器６ａ、６ｂの１．５倍の電流で充放電できる。
【００４８】
次に、本発明の第３実施例について図７を参照しながら説明する。図７は本発明の第３実施例の蓄電システムのブロック構成図である。
【００４９】
この第３実施例は、双方向インバータ４をスイッチング素子２１ｇ、２１ｈ、各スイッチング素子のコレクタ、エミッタ間に逆向きに接続したダイオード２２ｇ、２２ｈ、リアクトル３１、同じ容量のコンデンサを1対直列接続した平滑コンデンサ５、及びインバータフィルタコンデンサ３２により、ハーフブリッジの双方向インバータが構成されている。
【００５０】
組電池８の充放電の電力変換を行なう電力変換器６ａ、６ｂの構成は第２実施例と同様であり、該電力変換器６ａ、６ｂ及び前記双方向インバータ４は制御装置３５により制御される。
【００５１】
前記双方向インバータ４を構成するスイッチング素子２１ｇ、ダイオード２１ｈ、２２ｇ、２２ｈは、電力変換器を構成するスイッチング素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、ダイオード２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと同等の部品で構成してある。リアクトル３１とインバータフィルタコンデンサ３２の一端とは交流電流センサ３３を介して接続してある。交流電流センサ３３にはプリアンプ３４が接続してある。係るプリアンプ３４は制御部３５に接続してある。双方向インバータ４は系統切離しスイッチ３６を介して商用電源１に接続してある。
【００５２】
次に、係る構成の蓄電システムの動作を説明する。電力変換器６ａ、６ｂの動作は第２の実施例と同様なので説明を省略し、双方向インバータ４の動作を説明する。
【００５３】
双方向インバータ４は、制御装置３５よりスイッチング素子２１ｇ、２１ｈに、商用電源１に同期して略正弦波状にデューティーが変化するパルス信号を加えることにより、昇圧ＡＣ／ＤＣ変換または降圧ＤＣ／ＡＣ変換動作させて電力を交流側から直流側に、または直流側から交流側に流す。
【００５４】
まず系統切離しスイッチ３６を閉路するとダイオード２２ｇ、２２ｈを介して電流が流れ、平滑コンデンサ５ａ、５ｂにそれぞれ充電される。商用電源１が交流１００Ｖの場合には、平滑コンデンサ５ａ、５ｂはそれぞれ直流約１４０Ｖに充電される。
【００５５】
商用電源１から組電池８に電力を流す充電動作では、リアクトル３１側の電圧が系統切離しスイッチ３６よりも高い場合に、スイッチング素子２１ｈをパルス信号でオンさせると、電流が商用電源１からリアクトル３１、スイッチング素子２１ｈ、平滑コンデンサ５ｂ、系統切離しスイッチ３６の順に流れ、リアクトル３１に磁気エネルギーが蓄積される。スイッチング素子２１ｈがオフすると、リアクトル３１の磁気エネルギーによりリアクトル３１とスイッチング素子２１ｈのコレクタとの接続部の電圧が上昇し、係る電圧がスイッチング素子２１ｇのコレクタよりも高くなると、電流がリアクトル３１、ダイオード２２ｇ、平滑コンデンサ５ａ、系統切離しスイッチ３６、商用電源１の順で流れ、昇圧しながら平滑コンデンサ５ａを充電する。
【００５６】
また、リアクトル３１側の電圧が系統切離しスイッチ３６よりも低い場合に、スイッチング素子２１ｈの代りにスイッチング素子２１ｇをパルス信号でオンさせると、電流が商用電源１から系統切離しスイッチ３６、平滑コンデンサ５ａ、スイッチング素子２２ｇ、リアクトル３１の順で流れ、リアクトル３１に磁気エネルギーが蓄えられる。スイッチング素子２１ｇがオフすると、リアクトル３１の磁気エネルギーによりリアクトル３１とスイッチング素子２１ｈのコレクタとの接続部の電圧が下降し、係る電圧がスイッチング素子２１ｈのエミッタよりも低くなると、電流がリアクトル３１、商用電源１、系統切離しスイッチ３６、平滑コンデンサ５ｂ、ダイオード２２ｈの順で流れ、昇圧しながら平滑コンデンサ５ｂを充電する。
【００５７】
この時の双方向インバータの電流は交流電流センサ３３により検出し、プリアンプ３４で増幅して制御装置３５に伝達される。また平滑コンデンサ５ａ、５ｂの両端に加わる直流電圧が直流電圧検出器２６により検出され、制御装置３５に伝達される。制御装置３５は係る交流電流情報及び直流電圧情報によりスイッチング素子２１ｇ、２１ｈに加えるパルス信号のデューティーを加減して交流電流及び平滑コンデンサ５ａ、５ｂに加わる直流電圧を制御する。このように双方向インバータ４により昇圧して、電力変換器６ａ、６ｂにより降圧して組電池８を適当な電流で充電する。
【００５８】
放電する場合は、予め電力変換器６ａ、６ｂにより平滑コンデンサ５ａ、５ｂをそれぞれ商用電源１のピーク電圧よりも高くなるように昇圧充電しておき、係る状態で、リアクトル３１側の電圧が系統切離しスイッチ３６よりも高い場合に、スイッチング素子２１ｇをパルス信号でオンさせると、電流が平滑コンデンサ５ｂからスイッチング素子２１ｇ、リアクトル３１、商用電源１、系統切離しスイッチ３６の順に流れ、リアクトル３１に磁気エネルギーが蓄積される。スイッチング素子２１ｇがオフすると、リアクトル３１の磁気エネルギーによりリアクトル３１とスイッチング素子２１ｈのコレクタとの接続部の電圧が降下し、係る電圧がスイッチング素子２１ｈのエミッタよりも低くなると、電流がリアクトル３１、商用電源１、系統切離しスイッチ３６、平滑コンデンサ５ｂ、ダイオード２２ｈ、の順で流れ、商用電源１側に出力する。
【００５９】
また、リアクトル３１側の電圧が系統切離しスイッチ３６よりも低い場合に、スイッチング素子２１ｈをパルス信号でオンさせると、電流が平滑コンデンサ５ａから系統切離しスイッチ３６、商用電源１、リアクトル３１、スイッチング素子２２ｈの順で流れ、リアクトル３１に磁気エネルギーが蓄えられる。スイッチング素子２１ｈがオフすると、リアクトル３１の磁気エネルギーによりリアクトル３１とスイッチング素子２１ｈのコレクタとの接続部の電圧が上昇し、係る電圧がスイッチング素子２１ｇのコレクタよりも高くなると、電流がリアクトル３１、ダイオード２２ｇ、平滑コンデンサ５ａ、系統切離しスイッチ３６、商用電源１の順で流れ、商用電源１側に出力する。
【００６０】
商用電源１側に出力する場合には、出力を商用電源１に重畳して、交流出力電流を一定に制御しながら行なう。
【００６１】
係る電力変換器６ａ、６ｂのスイッチング素子２１ａ〜２１ｄ及びダイオード２２ａ〜２２ｄと双方向インバータ４のスイッチング素子２１ｇ〜２１ｈ及びダイオード２２ｇ〜２２ｈは、広く一般に用いられている電動機制御用インバータモジュールを転用して本発明に適用できるようにしている。これにより、電力変換器６ａ、６ｂと双方向インバータ４を安価なものとすることができる。
【００６２】
上述した実施例によれば、組電池８を充電または放電する略同等の定格・仕様の電力変換器６ａ〜６ｃを並列に少なくとも２個以上設けたので、組電池８の充放電電流が大きい場合でも小さい定格電流の電力変換器６ａ〜６ｃが使用できる。これにより、蓄電システム５０の定格充電電流が異なるものを製作する場合に、略同等の定格・仕様の電力変換器６ａ〜６ｃで製作でき、電力変換器の種類を増やすこと無く蓄電装置の定格を多様化できる。従って、同じ仕様の電力変換器の使用数を増やすことにより部品コストを低減できる。また、双方向インバータ４と電力変換器６ａ〜６ｃとを独立して設けると共に、複数の電力変換器６ａ〜６ｃに双方向インバータ４を共通して設けるようにしているので、電力変換器６ａ〜６ｃのみの複数化で組電池８の異なる充放電電流に対応できる。これにより、さらに部品コストの低減が可能となる。
【００６３】
また、充放電電流を加減するときに並列で動作させる電力変換器を増減することにより容易に充放電電流を加減できる。そして、組電池８を充電または放電する各電力変換器６ａ〜６ｃの電流を検出する電流検出器７ａ〜７ｃの検出仕様設定手段以外の構成を同じにしたことにより、電流検出器７ａ〜７ｃの部品の共通化ができ、部品コストを低減できる。
【００６４】
更に、電流検出器７ａ〜７ｃの少なくとも１個の検出分解能を、他の電流検出器の検出分解能よりも大きく設定したことにより、通常の充放電電流の管理・制御の精度を変えずに、通常の充放電電流より小さい補充電時の電流の高精度管理・制御や、押し込み充電時の小さい電流を高精度で管理・制御することができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小さな定格電流の電力変換器を共用して組電池の異なる充放電電流に対応することが可能で、電力変換器の種類の増加を抑えることができる共にコスト低減が図れる蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置を得ることができる。
【００６６】
また、本発明によれば、充放電時の電流の小さい場合でも容易に充放電電流を高精度で制御できる蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1実施例である蓄電システムのブロック構成図である。
【図２】図１の蓄電システムの第１の電流検出器の構成図である。
【図３】図１の蓄電システムの第２の電流検出器の構成図である。
【図４】図２及び図３の電流検出器の出力特性図である。
【図５】図２の電流検出器の変形例を示す構成図である。
【図６】本発明の第２実施例の蓄電システムの構成図である。
【図７】本発明の第３実施例の蓄電システムの構成図である。
【符号の説明】
１…商用電源、２…負荷、３…電力変換装置、４…双方向インバータ、５…平滑コンデンサ、６ａ〜６ｃ…電力変換器、７ａ〜７ｃ…電流検出器、８…組電池、９…逆流防止ダイオード、１０…直流給電開始手段、１１…直流負荷、１２ａ、１２ｂ…充放電電流線、１３ａ、１３ｂ…検出センサ部、１４ａ、１４ｂ…検出線、１５ａ、１５ｂ…プリアンプ、５０…蓄電システム。
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置に係り、特に電力貯蔵システム等の複数の二次電池により構成した組電池の充電または放電を行なうための蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の蓄電システムとしては、複数の二次電池により構成した組電池と、この組電池の充電または放電を行なう電力変換装置と、を備えるものがある（従来技術１）。この従来技術１は、組電池に対して充電または放電するための電力変換器を１個設けている。この電力変換器は、交流から直流及び直流から交流に変換する機能と、電圧を降圧または昇圧する機能と、を１つの電力変換器に備えるようになっている。
【０００３】
また、従来の電力貯蔵システムとして、特開２００１−２５１７０号公報（従来技術２）に示すように、電力変換器の直流側に充電電力が放電電力に比べて小さい二次電池を接続した電力貯蔵システムで、複数の電力変換器を並列に設け、全電力変換器の総容量と一つの電力変換器の容量との割合を二次電池の放電電力と充電電力との割合に等しくするようにしたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に組電池は複数の二次電池が種々の形態で組み合わされて蓄電システムに用いられるため、蓄電システム用電力変換装置は充放電電流が種々の大きさで動作できるものを準備することが必要である。
【０００５】
しかしながら、上記従来技術１では、組電池に対して充電または放電する電力変換器を１個設けているに過ぎないため、使用される組電池における種々の大きさの充放電電流に対応できる定格仕様の電力変換器を種々準備しておかねばならない。このため、電力変換器の種類が増加し、部品管理が煩雑になると共に部品コストが増大するという課題があった。
【０００６】
また、従来技術２では、複数の電力変換器を並列に設けているが、使用される組電池における種々の大きさの充放電電流に対応することに関しては記載されていない。即ち、従来技術２を組電池に用いた場合には、従来技術１と同様に、使用される組電池における種々の大きさの充放電電流に対応できるように異なる定格仕様の電力変換器を種々準備しておかねばならない。このため、従来技術２では、電力変換器の種類が従来技術１よりも複数倍増加し、さらに部品管理が煩雑になると共に部品コストが増大するという課題があった。
【０００７】
そして、従来技術１、２では、充放電電流の変化に対応して電力変換器の動作を制御することについては配慮されておらず、組電池の多段充電時の小さな電流や補充電時の特に小さな電流などに対応して電力変換器の動作を高精度に制御するのが難しいという課題があった。
【０００８】
本発明の第１の目的は、小さな定格電流の電力変換器を共用して組電池の異なる充放電電流に対応することが可能で、電力変換器の種類の増加を抑えることができる共にコスト低減が図れる蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の第２の目的は、充放電時の電流の小さい場合でも容易に充放電電流を高精度で制御できる蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するために、本発明の蓄電システムは、複数の二次電池により構成した組電池と、前記組電池の充電または放電を行なう電力変換装置と、を備えた蓄電システムにおいて、前記電力変換装置は前記組電池に対して１つのインバータ及び複数の電力変換器を備え、前記複数の電力変換器は、充電または放電時に電圧を降圧または昇圧する機能を有すると共に、同等の定格仕様のものを用いて前記インバータと前記組電池との間に並列に接続し、前記各電力変換器は、二つのスイッチング素子と、各スイッチング素子のコレクタ、エミッタ間に逆向きに接続したダイオードと、前記二つのスイッチング素子の間と前記組電池との間に接続したリアクトルと、を備え、前記各電力変換器のスイッチング素子に加えるパルス信号の周波数、パルス幅を同じにすると共にパルス位相を２π／３だけずらして充電動作または放電動作を行うように制御する制御装置を備える構成にしたことにある。
【００１１】
前記第２の目的を達成するために、本発明の蓄電システムは、複数の二次電池により構成した組電池と、前記組電池の充電または放電を行なう電力変換装置と、を備えた蓄電システムにおいて、前記電力変換装置は、充電または放電時に電圧を降圧または昇圧する複数の電力変換器と、前記複数の電力変換器に対応する複数電流検出器と、を備え、前記複数の電流検出器の中の少なくとも一つは異なる分解能を有する電流検出器を備える構成にしたことにある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複数の実施例について図を参照して説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【００１３】
本発明の第1実施例について図1から図５を参照して説明する。
【００１４】
図１は本発明の第1実施例である蓄電システムのブロック構成図である。図１において、１００Ｖまたは２００Ｖの商用電源１は負荷２を接続して交流電力を給電する。蓄電システム５０は商用電源１と負荷２の間に接続され、商用電源１により交流電力を供給されると共に、負荷２に交流電力を供給する。更には、蓄電システム５０は直流負荷１１に接続され、この直流負荷１１に直流電力を供給する。そして、蓄電システム５０は組電池８及び電力変換装置３を備えて構成されている。
【００１５】
組電池８は複数の二次電池により構成され、充電または放電される。蓄電システム５０の使用場所や使用目的に応じて、この二次電池の数が異なるように設けられる。図１は１組の組電池８を示しているが、必要に応じて複数の組電池８が並列または直列に接続される場合がある。
【００１６】
電力変換装置３は、双方向インバータ４、平滑コンデンサ５、電力変換器６ａ、６ｂ及び電流検出器７ａ、７ｂからなる充放電系統と、逆流防止ダイオード９及び直流給電開始手段１０からなる直流放電系統とを備えている。
【００１７】
双方向インバータ４の一側は商用電源１と負荷２との間に接続され、その他側は平滑コンデンサ５に接続されている。双方向インバータ４は一側から供給された交流電力を直流電力に変換して他側から出力すると共に、他側から供給された直流電力を交流電力に変換して出力する。平滑コンデンサ５と組電池８との間には複数の電力変換器６ａ、６ｂが並列に接続されている。この電力変換器６ａ、６ｂは電圧を降圧または昇圧して充放電するためのものである。各電力変換器６ａ、６ｂは同等の定格仕様のものが用いられている。電力変換器６ａ、６ｂにはそれぞれ電流検出器７ａ、７ｂが設けられている。従って、商用電源１及び負荷２は電力変換装置３を介して組電池８に接続されることとなる。
【００１８】
逆流防止ダイオード９と直流給電開始手段１０は直列に接続されている。この直列回路の逆流防止ダイオード９は電力変換器６ａ、６ｂの並列回路と組電池８との間に接続されると共に、直流給電開始手段１０は直流負荷１１に接続されている。従って、直流負荷１１は直流給電開始手段１０及び逆流防止ダイオード９を介して組電池８または電力変換器６ａ、６ｂに接続されることとなり、これらから直流電力が供給される。
【００１９】
図２及び図３は電流検出器７ａ、７ｂの構成図である。１２ａ、１２ｂは電力変換器６ａ、６ｂの入出力電流を流す充放電電流線である。この充放電電流線１２ａ、１２ｂは検出センサ部１３ａ、１３ｂにそれぞれ１ターン、４ターン巻かれて設けられている。１４ａ、１４ｂは検出センサ部１３ａ、１３ｂにそれぞれ巻かれた検出線である。該検出線１４ａ、１４ｂはそれぞれプリアンプ１５ａ、１５ｂに接続されている。なお、図２及び図３では、検出センサ部１３ａ、１３ｂをコアで表記しているが、検出センサ部１３ａ、１３ｂはホール素子等の手段を用いてもよい。また、本実施例では同等の定格の電力変換器を２並列としているが、蓄電システム５０の仕様により、適当な数の並列数にしても良い。
【００２０】
各電流検出器７ａ、７ｂは同仕様の部品が用いられ、検出センサ部１３ａ、１３ｂに充放電電流線１２ａ、１２ｂを通す回数を変えて検出仕様設定手段としている。即ち、本実施例では、検出センサ部１３ａ、１３ｂに充放電電流線１２ａ、１２ｂを通す回数を１ターンと４ターンに変えて、電流検出器７ａ、７ｂの分解能を１：４に変えている。換言すれば、各電流検出器７ａ、７ｂは検出仕様設定手段以外の構成が同じにしてある。なお、電流検出器７ａ、７ｂの分解能を変える方法として、プリアンプ１５ａ、１５ｂのゲインまたは電流検出器６ａ、６ｂの後段のアンプ（図示せず）のゲインを変えてもよい。また、分解能の違いは１：４に限るものではなく、蓄電システム５０の仕様により、適当な値に設定する。
【００２１】
図４は電流検出器６ａ、６ｂの充放電電流線１２ａ、１２ｂを流れる電流に対する検出値の出力特性図である。出力特性１６は電流検出器７ａの充電電流を変化させた場合の検出値であり、出力特性１７は電流検出器７ｂの充電電流を変化させた場合の検出値である。また、出力特性１８は電流検出器７ａの放電電流を変化させた場合の検出値であり、出力特性１９は電流検出器７ｂの放電電流を変化させた場合の検出値である。本実施例では充電時の検出値を正としたが、放電時の検出値を正としてもかまわない。上述したように電流検出器７ａ、７ｂの検出センサ部１３ａ、１３ｂに充放電電流線１２ａ、１２ｂを通す回数を１ターンと４ターンに変えていることにより、検出値が出力特性１６と出力特性１７または出力特性１８と出力特性１９のように、１：４の値となる。その結果、電流検出器７ａと７ｂの分解能が１：４となって、電流検出器７ｂの分解能は電流検出器７ａの分解能の４倍に大きくなっている。
【００２２】
なお、各電流検出器７ａ、７ｂに同じ仕様のセンサを使用しているため、電流値が高分解能に設定した電流検出器７ｂでは電流検出器７ａの検出限界（図示せず）の１／４のところで検出限界２０に達し、検出値出力の直線性が失われる。しかし、電流０の値から電流検出器７ｂの検出限界２０の値までの充放電電流値に対しては、電流検出器７ｂは電流検出器７ａの４倍の分解能で電流を検出することができる。従って、電流検出器７ｂは小さい充放電電流の検出に用い、電流検出器７ａは大きい充放電電流の電流検出を用いるように使い分けることが好ましい。
【００２３】
次に、このように構成した蓄電システム５０の充放電動作を説明する。
【００２４】
充電時においては、商用電源１から供給される交流を双方向インバータ４で直流に整流すると共に昇圧し、平滑コンデンサ５により平滑して直流電圧とし、係る直流電圧を電力変換器６ａ、６ｂで降圧し、電流を予め設定した充電電流値に制御しながら組電池８に充電する。このとき、各電力変換器６ａ、６ｂには同じ制御信号を与えることにより、同等の充電電流が流れ、それらを合計した電流が組電池８の充電電流になる。
【００２５】
この場合に、充電電流の管理・制御は電流検出器７ａで行なう。各電力変換器６ａ、６ｂが同等の定格仕様なので、各電力変換器６ａ、６ｂには同等の充電電流が流れる。従って、充電電流の合計は電流検出器７ａの値に電力変換器６の並列の個数を掛けて求められる。組電池８が充電完了に近づくと、これを検出して制御装置により充電を電力変換器６ｂのみで行なうように制御される。具体的には、小さい電流値での補充電が必要な鉛系の二次電池やニッケル・カドミウム二次電池等を用いた組電池の場合には微少電流で補充電を行ない、ＣＶ充電等による押し込み充電が必要なリチウムイオン二次電池等を用いた組電池の場合には充電電流を絞って押し込み充電を行なう。この場合において、高分解能の電流検出器７ｂで充電電流を検出するので、小さい電流を高精度で検出し、制御することができる。
【００２６】
放電は直流給電と交流給電の機能を有する。通常の直流給電における放電は組電池８より逆流防止ダイオード９及び直流給電開閉手段１０を介して直流負荷１１に直流を給電することにより行なわれる。この直流給電は直流給電開始手段１０を閉路することにより開始される。また、交流側の負荷２の消費電力が大きい場合には、組電池８より電力変換器６ａ、６ｂにより昇圧して平滑コンデンサ５に充電して直流電圧を生成し、係る直流電圧を双方向インバータ４で交流に変換し、商用電源１からの電力に重畳して負荷２に出力する。このようにして負荷２の電力の一部を蓄電システム５０から交流給電して分担することにより、商用電源１の過電流を抑えることができる。
【００２７】
この組電池８の電力を交流に変換して出力することにより放電する場合には、各電力変換器６ａ、６ｂは同じ制御信号により動作させる。各電力変換器６ａ、６ｂの定格仕様が同等であるので、このときの放電電流は同等になる。その電流の管理・制御は電流検出器７ａの検出値を用いて行ない、組電池８の放電電流の合計は電流検出器７ａの検出値に電力変換器６の並列接続数を掛けて求められる。
【００２８】
このように、電力変換器６ａ、６ｂに流れる充放電電流は、同じ制御信号で制御することにより同等にすることができるので、各電力変換器６ａ、６ｂの定格電流は組電池８の充放電電流を電力変換器６の並列数で割った値で十分である。従って、組電池８の充放電電流が大きい場合でも、小さい定格電流の電力変換器６ａ、６ｂを複数使用することにより対応できる。
【００２９】
図５は電流検出器７ａの変形例を示すものである。この電流検出器７ａは検出センサ部にシャント抵抗１３ｃを用いたものである。この電流検出器７ａの分解能の設定はシャント抵抗１３ｃの抵抗値を変えるかプリアンプ１５ａのゲインを変えることにより行なう。
【００３０】
次に、本発明の第２実施例について図６を参照しながら説明する。図６は本発明の第２実施例の蓄電システムのブロック構成図である。
【００３１】
組電池８の充放電の電力変換を行なう電力変換器６ａ〜６ｃは、それぞれ、スイッチング素子２１ａ〜２１ｆ、各スイッチング素子のコレクタ、エミッタ間に逆向きに接続したダイオード２２ａ〜２２ｆ、及びリアクトル２３ａ〜２３ｃにより構成されている。電力変換器６ａ〜６ｃの各部品は同一仕様のものが用いられている。
【００３２】
そして、スイッチング素子２１ａ、２１ｃ、２１ｅのコレクタとダイオード２２ａ、２２ｃ、２２ｅのカソードはそれぞれ平滑コンデンンサ５の正極側に接続されている。スイッチング素子２１ａのエミッタとダイオード２２ａのアノードはスイッチング素子２１ｂのコレクタとダイオード２２ｂのカソード及びリアクトル２３ａの一端に接続され、スイッチング素子２１ｃのエミッタとダイオード２２ｃのアノードはスイッチング素子２１ｄのコレクタとダイオード２２ｄのカソード及びリアクトル２３ｂの一端に接続され、スイッチング素子２１ｅのエミッタとダイオード２２ｅのアノードはスイッチング素子２１ｆのコレクタとダイオード２２ｆのカソード及びリアクトル２３ｃの一端に接続され、スイッチング素子２１ｂ、２１ｄ、２１ｆのエミッタ及びダイオード２２ｂ、２２ｄ、２２ｆのアノードはそれぞれ平滑コンデンサ５の負極側及び組電池８の負極側に接続されている。各リアクトル２３ａ〜２３ｃはそれぞれ電流検出器７ａ〜７ｃを介してフィルタコンデンサ２４の正極側に接続されている。
【００３３】
係る電力変換器６ａ〜６ｃのスイッチング素子２１ａ〜２１ｆ及びダイオード２２ａ〜２２ｆは、広く一般に用いられている電動機制御用インバータモジュールを転用して本発明に適用できるようにしている。これにより、電力変換器６ａ〜６ｃを安価なものとすることができる。
【００３４】
各電流検出器７ａ〜７ｃはそれぞれセンサ・インタフェース手段２５ａ〜２５ｃに接続されている。該センサ・インタフェース手段２５ａ〜２５ｃは充放電制御装置２８に接続されている。平滑コンデンサ５の両端は直流電圧検出器２６の両端に接続されている。該直流電圧検出器２６は充放電制御装置２８に接続されている。
【００３５】
また、フィルタコンデンサ２４の負極側は組電池８の負極側に接続され、フィルタコンデンサ２４の両端には電池側電圧検出器２７が接続されている。該電池側電圧検出器２７は充放電制御装置２８に接続されている。フィルタコンデンサ２４の正極側には電池スイッチ２９の一端が接続されている。該電池スイッチ２９の他端は組電池８の正極側に接続されている。
【００３６】
また、双方向インバータ４にはインバータ制御装置３０が接続されている。該インバータ制御装置３０は充放電制御装置２８と接続されている。なお、充放電制御装置２８とインバータ制御装置３０とを一つの制御装置に纏めてもよい。
【００３７】
電力変換器６ａ〜６ｃ、電流検出器７ａ〜７ｃ及びセンサ・インタフェース手段２５ａ〜２５ｃで構成される部分は同一仕様のもので構成されている。但し、センサ・インタフェース手段２５ａ〜２５ｃの内の少なくとも１個の検出感度を充放電制御装置２８からの指令で変更可能とされている。
【００３８】
充放電電流が予め設定した値よりも小さい場合に、センサ・インタフェース手段２５ａの検出感度が高感度になるように充放電制御装置２８からの指令で設定された状態における動作を次に説明する。
【００３９】
組電池８を充電する場合の動作は次の通りである。双方向インバータ４はインバータ制御装置３０の信号により、商用電源１から供給する交流を直流に整流すると共に、直流電圧検出器２６により電圧を監視しながら、組電池８の電圧よりも高い所定の直流電圧に昇圧して平滑コンデンサ５を充電する。
【００４０】
そして、充放電制御装置２８からのパルス信号で電力変換器６ａのスイッチング素子２１ａを断続させ、小さい充電電流を電力変換器６ａに流してフィルタコンデンサ２４を所定の電圧に充電する。この時の充電電流は電流検出器２５ａで検出すると共に、フィルタコンデンサ２４の電圧は電池側電圧検出器２７で検出され、これらは充放電制御装置２８で管理される。スイッチング素子２１ａがパルス信号でオンしている期間は、電流がリアクトル２３ａを通ってフィルタコンンデンサ２４に流れると共に、リアクトル２３ａに磁気エネルギーとして蓄えられる。スイッチング素子２１ａがオフすると、リアクトル２３ａに蓄えられたエネルギーは電流としてダイオード２２ｂとフィルタコンデンサ２４とで構成される経路によりフィルタコンデンサ２４を充電する電流として流れる。
【００４１】
そして、フィルタコンデンサ２４の電圧が組電池８の電圧に近い所定値に達すると、それを電池側電圧検出器２７で検出して充放電制御装置２８に入力し、充放電制御装置２８の信号で電池スイッチ２９をオンする。これにより、組電池８への充電が開始される。電池スイッチ２９がオンすると、充放電制御装置２８からのパルス信号により、各電力変換器６ａ〜６ｃのスイッチング素子２１ａ、２１ｃ、２１ｅが断続し、電流検出器２５ａ〜２５ｃで充電電流を監視すると共に、組電池８の電圧を電池側電圧検出器２７で監視しながら、組電池８を充電する。
【００４２】
この時の充電電流は平滑コンデンサ５の電圧と組電池８の電圧の差が大きいほど大きくなると共に、スイッチング素子２１ａ、２１ｃ、２１ｅの加えるパルス信号のデューティーが大きいほど大きくなる。平滑コンデンサ５の電圧と組電池８の電圧の差を監視しながら、パルスのデューティーを制御することにより、充電電流を所定の値に制御することができる。この時の電流の制御は電流検出器２５ｂ、２５ｃの信号により行ない、電流検出器２５ａの信号は制御には用いない。この時の各部の動作はフィルタコンデンサ２４に充電する時と同様である。
【００４３】
充放電制御装置２８は、各スイッチング素子２１ａ、２１ｃ、２１ｅへのパルス周波数、パルス幅を同じにすると共に、各パルスの位相を２π／ｎだけずらすように制御している。この第２実施例では２π／３だけ位相をずらしている。パルスの位相を２π／ｎだけずらすことにより、各電力変換器６ａ〜６ｃからフィルタコンデンサ２４及び組電池８に流れ込むスイッチング電流の位相がずれて重畳される。これによって、組電池８に流れ込むリップル電流を小さくできると共に、見かけのスイッチング周波数がｎ倍にできる。この見かけ上のスイッチング周波数がｎ倍にできることにより、可聴域の騒音を低減できると共に、実際のスイッチング周波数をその分下げるようにすればスイッチングロスを低減できる。
【００４４】
また、組電池８の補充電を行なう場合には、補充電時の電流は通常の充電電流より小さいので、電力変換器６ａのみで行ない、その電流の制御は電流検出器２５ａの信号で行なう。
【００４５】
一方、組電池８から放電する場合の動作は次の通りである。各電力変換器６ａ〜６ｃのスイッチング素子２１ｂ、２１ｄ、２１ｆを充放電制御装置２８からのパルス信号で断続させることにより行なう。各電力変換器６ａ〜６ｃの動作は全く同じなので、代表で電力変換器６ａの動作を説明する。スイッチング素子２１ａがオンすると、組電池８の放電電流がリアクトル２３ａを介してスイッチング素子２１ａに流れ、リアクトル２３ａに磁気エネルギーが蓄えられる。スイッチング素子２１ａをオフすると、リアクトル２３ａの電流が遮断されるため、リアクトル２に蓄えられた磁気エネルギーによりスイッチング素子２１ａのコレクタ側が昇圧され、係る部分の電圧が平滑コンデンサ５の電圧を越えるとダイオード２２ａを介してリアクトル２３ａより平滑コンデンサ５に電流が流れ出す。平滑コンデンサ５の電荷は双方向インバータ４により商用電源１に連系して出力される。電力変換器６ｂ、６ｃは電力変換器６ａと同様に昇圧動作をし、放電が行なわれる。
【００４６】
電力変換器６ａ〜６ｃのスイッチング素子２１ｂ、２１ｄ、２１ｆに加えられるパルス信号は充電時と同様に周波数、パルス幅を同じにすると共に、各パルスの位相を２π／ｎだけずらしている。この第２実施例では２π／３だけ位相をずらしている。この目的は、充電時と同様に、パルスの位相を２π／ｎだけずらすことにより、各電力変換器６ａ〜６ｃから平滑コンデンサ５に流れ出すスイッチング電流の位相がずれて重畳される。これによって、組電池８から流れ出すリップル電流を小さくできると共に、見かけのスイッチング周波数がｎ倍にできる。この見かけ上のスイッチング周波数がｎ倍にできることにより、可聴域の騒音を低減できると共に、スイッチング周波数をその分下げるようにすればスイッチングロスを低減できる。
【００４７】
また、この第２実施例で第１実施例と同じ定格の部品を用いて電力変換器６ａ〜６ｃを構成した場合には、第２実施例の電力変換器６ａ〜６ｃは第１実施例の電力変換器６ａ、６ｂの１．５倍の電流で充放電できる。
【００４８】
次に、本発明の第３実施例について図７を参照しながら説明する。図７は本発明の第３実施例の蓄電システムのブロック構成図である。
【００４９】
この第３実施例は、双方向インバータ４をスイッチング素子２１ｇ、２１ｈ、各スイッチング素子のコレクタ、エミッタ間に逆向きに接続したダイオード２２ｇ、２２ｈ、リアクトル３１、同じ容量のコンデンサを1対直列接続した平滑コンデンサ５、及びインバータフィルタコンデンサ３２により、ハーフブリッジの双方向インバータが構成されている。
【００５０】
組電池８の充放電の電力変換を行なう電力変換器６ａ、６ｂの構成は第２実施例と同様であり、該電力変換器６ａ、６ｂ及び前記双方向インバータ４は制御装置３５により制御される。
【００５１】
前記双方向インバータ４を構成するスイッチング素子２１ｇ、ダイオード２１ｈ、２２ｇ、２２ｈは、電力変換器を構成するスイッチング素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、ダイオード２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと同等の部品で構成してある。リアクトル３１とインバータフィルタコンデンサ３２の一端とは交流電流センサ３３を介して接続してある。交流電流センサ３３にはプリアンプ３４が接続してある。係るプリアンプ３４は制御部３５に接続してある。双方向インバータ４は系統切離しスイッチ３６を介して商用電源１に接続してある。
【００５２】
次に、係る構成の蓄電システムの動作を説明する。電力変換器６ａ、６ｂの動作は第２の実施例と同様なので説明を省略し、双方向インバータ４の動作を説明する。
【００５３】
双方向インバータ４は、制御装置３５よりスイッチング素子２１ｇ、２１ｈに、商用電源１に同期して略正弦波状にデューティーが変化するパルス信号を加えることにより、昇圧ＡＣ／ＤＣ変換または降圧ＤＣ／ＡＣ変換動作させて電力を交流側から直流側に、または直流側から交流側に流す。
【００５４】
まず系統切離しスイッチ３６を閉路するとダイオード２２ｇ、２２ｈを介して電流が流れ、平滑コンデンサ５ａ、５ｂにそれぞれ充電される。商用電源１が交流１００Ｖの場合には、平滑コンデンサ５ａ、５ｂはそれぞれ直流約１４０Ｖに充電される。
【００５５】
商用電源１から組電池８に電力を流す充電動作では、リアクトル３１側の電圧が系統切離しスイッチ３６よりも高い場合に、スイッチング素子２１ｈをパルス信号でオンさせると、電流が商用電源１からリアクトル３１、スイッチング素子２１ｈ、平滑コンデンサ５ｂ、系統切離しスイッチ３６の順に流れ、リアクトル３１に磁気エネルギーが蓄積される。スイッチング素子２１ｈがオフすると、リアクトル３１の磁気エネルギーによりリアクトル３１とスイッチング素子２１ｈのコレクタとの接続部の電圧が上昇し、係る電圧がスイッチング素子２１ｇのコレクタよりも高くなると、電流がリアクトル３１、ダイオード２２ｇ、平滑コンデンサ５ａ、系統切離しスイッチ３６、商用電源１の順で流れ、昇圧しながら平滑コンデンサ５ａを充電する。
【００５６】
また、リアクトル３１側の電圧が系統切離しスイッチ３６よりも低い場合に、スイッチング素子２１ｈの代りにスイッチング素子２１ｇをパルス信号でオンさせると、電流が商用電源１から系統切離しスイッチ３６、平滑コンデンサ５ａ、スイッチング素子２２ｇ、リアクトル３１の順で流れ、リアクトル３１に磁気エネルギーが蓄えられる。スイッチング素子２１ｇがオフすると、リアクトル３１の磁気エネルギーによりリアクトル３１とスイッチング素子２１ｈのコレクタとの接続部の電圧が下降し、係る電圧がスイッチング素子２１ｈのエミッタよりも低くなると、電流がリアクトル３１、商用電源１、系統切離しスイッチ３６、平滑コンデンサ５ｂ、ダイオード２２ｈの順で流れ、昇圧しながら平滑コンデンサ５ｂを充電する。
【００５７】
この時の双方向インバータの電流は交流電流センサ３３により検出し、プリアンプ３４で増幅して制御装置３５に伝達される。また平滑コンデンサ５ａ、５ｂの両端に加わる直流電圧が直流電圧検出器２６により検出され、制御装置３５に伝達される。制御装置３５は係る交流電流情報及び直流電圧情報によりスイッチング素子２１ｇ、２１ｈに加えるパルス信号のデューティーを加減して交流電流及び平滑コンデンサ５ａ、５ｂに加わる直流電圧を制御する。このように双方向インバータ４により昇圧して、電力変換器６ａ、６ｂにより降圧して組電池８を適当な電流で充電する。
【００５８】
放電する場合は、予め電力変換器６ａ、６ｂにより平滑コンデンサ５ａ、５ｂをそれぞれ商用電源１のピーク電圧よりも高くなるように昇圧充電しておき、係る状態で、リアクトル３１側の電圧が系統切離しスイッチ３６よりも高い場合に、スイッチング素子２１ｇをパルス信号でオンさせると、電流が平滑コンデンサ５ｂからスイッチング素子２１ｇ、リアクトル３１、商用電源１、系統切離しスイッチ３６の順に流れ、リアクトル３１に磁気エネルギーが蓄積される。スイッチング素子２１ｇがオフすると、リアクトル３１の磁気エネルギーによりリアクトル３１とスイッチング素子２１ｈのコレクタとの接続部の電圧が降下し、係る電圧がスイッチング素子２１ｈのエミッタよりも低くなると、電流がリアクトル３１、商用電源１、系統切離しスイッチ３６、平滑コンデンサ５ｂ、ダイオード２２ｈ、の順で流れ、商用電源１側に出力する。
【００５９】
また、リアクトル３１側の電圧が系統切離しスイッチ３６よりも低い場合に、スイッチング素子２１ｈをパルス信号でオンさせると、電流が平滑コンデンサ５ａから系統切離しスイッチ３６、商用電源１、リアクトル３１、スイッチング素子２２ｈの順で流れ、リアクトル３１に磁気エネルギーが蓄えられる。スイッチング素子２１ｈがオフすると、リアクトル３１の磁気エネルギーによりリアクトル３１とスイッチング素子２１ｈのコレクタとの接続部の電圧が上昇し、係る電圧がスイッチング素子２１ｇのコレクタよりも高くなると、電流がリアクトル３１、ダイオード２２ｇ、平滑コンデンサ５ａ、系統切離しスイッチ３６、商用電源１の順で流れ、商用電源１側に出力する。
【００６０】
商用電源１側に出力する場合には、出力を商用電源１に重畳して、交流出力電流を一定に制御しながら行なう。
【００６１】
係る電力変換器６ａ、６ｂのスイッチング素子２１ａ〜２１ｄ及びダイオード２２ａ〜２２ｄと双方向インバータ４のスイッチング素子２１ｇ〜２１ｈ及びダイオード２２ｇ〜２２ｈは、広く一般に用いられている電動機制御用インバータモジュールを転用して本発明に適用できるようにしている。これにより、電力変換器６ａ、６ｂと双方向インバータ４を安価なものとすることができる。
【００６２】
上述した実施例によれば、組電池８を充電または放電する略同等の定格・仕様の電力変換器６ａ〜６ｃを並列に少なくとも２個以上設けたので、組電池８の充放電電流が大きい場合でも小さい定格電流の電力変換器６ａ〜６ｃが使用できる。これにより、蓄電システム５０の定格充電電流が異なるものを製作する場合に、略同等の定格・仕様の電力変換器６ａ〜６ｃで製作でき、電力変換器の種類を増やすこと無く蓄電装置の定格を多様化できる。従って、同じ仕様の電力変換器の使用数を増やすことにより部品コストを低減できる。また、双方向インバータ４と電力変換器６ａ〜６ｃとを独立して設けると共に、複数の電力変換器６ａ〜６ｃに双方向インバータ４を共通して設けるようにしているので、電力変換器６ａ〜６ｃのみの複数化で組電池８の異なる充放電電流に対応できる。これにより、さらに部品コストの低減が可能となる。
【００６３】
また、充放電電流を加減するときに並列で動作させる電力変換器を増減することにより容易に充放電電流を加減できる。そして、組電池８を充電または放電する各電力変換器６ａ〜６ｃの電流を検出する電流検出器７ａ〜７ｃの検出仕様設定手段以外の構成を同じにしたことにより、電流検出器７ａ〜７ｃの部品の共通化ができ、部品コストを低減できる。
【００６４】
更に、電流検出器７ａ〜７ｃの少なくとも１個の検出分解能を、他の電流検出器の検出分解能よりも大きく設定したことにより、通常の充放電電流の管理・制御の精度を変えずに、通常の充放電電流より小さい補充電時の電流の高精度管理・制御や、押し込み充電時の小さい電流を高精度で管理・制御することができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小さな定格電流の電力変換器を共用して組電池の異なる充放電電流に対応することが可能で、電力変換器の種類の増加を抑えることができる共にコスト低減が図れる蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置を得ることができる。
【００６６】
また、本発明によれば、充放電時の電流の小さい場合でも容易に充放電電流を高精度で制御できる蓄電システム及びこれに用いる電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1実施例である蓄電システムのブロック構成図である。
【図２】図１の蓄電システムの第１の電流検出器の構成図である。
【図３】図１の蓄電システムの第２の電流検出器の構成図である。
【図４】図２及び図３の電流検出器の出力特性図である。
【図５】図２の電流検出器の変形例を示す構成図である。
【図６】本発明の第２実施例の蓄電システムの構成図である。
【図７】本発明の第３実施例の蓄電システムの構成図である。
【符号の説明】
１…商用電源、２…負荷、３…電力変換装置、４…双方向インバータ、５…平滑コンデンサ、６ａ〜６ｃ…電力変換器、７ａ〜７ｃ…電流検出器、８…組電池、９…逆流防止ダイオード、１０…直流給電開始手段、１１…直流負荷、１２ａ、１２ｂ…充放電電流線、１３ａ、１３ｂ…検出センサ部、１４ａ、１４ｂ…検出線、１５ａ、１５ｂ…プリアンプ、５０…蓄電システム。
Claims (1)
- 複数の二次電池により構成した組電池と、前記組電池の充電または放電を行なう電力変換装置と、を備えた蓄電システムにおいて、前記電力変換装置は前記組電池に対して１つのインバータ及び複数の電力変換器を備え、前記複数の電力変換器は、充電または放電時に電圧を降圧または昇圧する機能を有すると共に、同等の定格仕様のものを用いて前記インバータと前記組電池との間に並列に接続し、前記各電力変換器は、二つのスイッチング素子と、各スイッチング素子のコレクタ、エミッタ間に逆向きに接続したダイオードと、前記二つのスイッチング素子の間と前記組電池との間に接続したリアクトルと、を備え、前記各電力変換器のスイッチング素子に加えるパルス信号の周波数、パルス幅を同じにすると共にパルス位相を２π／３だけずらして充電動作または放電動作を行うように制御する制御装置を備えることを特徴とする蓄電システム。
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